Карботермический процесс производства магния

30.01.2017

Восстановление окиси магния углеродом идет по реакции
Карботермический процесс производства магния

Эта реакция обратима и идет вправо только при высокой температуре, порядка 2000°. Так как магний кипит при температуре 1107° С, то он выделяется в газообразном состоянии и в результате этой реакции получается смесь двух газообразных веществ, паров магния и окиси углерода.
В этом состоит отличие процесса восстановления окиси магния углеродом от процесса восстановления окислов многих других металлов. Так, например, при восстановлении окислов железа углеродом в доменных печах железо получается в расплавленном состоянии. Поэтому отделение его от остальных продуктов реакции (CO, СО2), которые получаются в газообразном состоянии, не представляет особых трудностей.
В карботермическом процессе восстановления окиси магния должны быть созданы специальные условия для разделения смеси газообразного магния и окиси углерода. На первый взгляд может показаться, что для достижения этой цели достаточно охладить полученную газовую смесь немного ниже температуры кипения магния, например, до 1000°С.
Однако, как показывают расчеты и опыт, в этом случае реакция между газообразными магнием и окисью углерода протекает почти полностью влево, с образованием исходных продуктов, т. е. окиси магния и углерода.
Равновесие MgO + С ⇔ CO + Mg возможно лишь при определенных условиях. Так как твердые окись магния и углерод не обладают заметной упругостью пара, то равновесие указанной реакции определяется только парциальным давлением газообразных веществ. Константа равновесия указанной реакции равна
Карботермический процесс производства магния

где pMg и рCO — соответственно, парциальные давления паров магния и окиси углерода.
Согласно исследованию А.И. Леонова, зависимость константы равновесия этой реакции от температуры выражается уравнением
Карботермический процесс производства магния

где T — абсолютная температура.
По этому уравнению можно подсчитать константу равновесия и, следовательно, парциальное давление паров магния для любой температуры или определить температуру равновесия, если задана константа равновесия.
Для примера определим температуру равновесия для случая, когда парциальное давление паров магния и окиси углерода равно одной атмосфере.
Если по условию рMg = 1 и pCO = 1, то
Карботермический процесс производства магния

Подставляя значение IgKp = 0 в уравнение (40), получим
Карботермический процесс производства магния

откуда
Карботермический процесс производства магния

Расчет по термохимическим данным в подробности которого мы здесь не входим, дает несколько более высокую температуру, именно 1854°. Отсюда следует, что при парциальном давлении паров магния и окиси углерода, разном 1 ат, и температурах ниже 1854° реакция пойдет влево с образованием окиси магния. Поэтому невозможно выделить магний из газовой смеси путем охлаждения ее до температуры конденсации магния, так как в этом случае он почти нацело обратно превратится в окись магния.
Для выделения магния из газовой смеси приходится применять особые приемы резкого охлаждения газообразных продуктов реакции, которые будут описаны ниже.
Вычислим равновесную упругость паров магния при температуре 2000° С. Подставляя в уравнение (40) значение T = 2000° + 273° - 2273°, получим
Карботермический процесс производства магния

Так как Kp = рMg*pCO, следовательно, IgKp = lgpMg + IgpCO.
Так как, согласно уравнению реакции, на одну молекулу паров магния образуется одна молекула окиси углерода, то их парциальные давления в условиях равновесия равны между собой. Следовательно, lgKp = 21gpMg.
Подставляя в это равенство значение lgKp = 1,6, получим
Карботермический процесс производства магния

Отсюда видно, что при температуре технического проведения процесса газообразные продукты реакции выходят из реакционной зоны при давлении значительно выше атмосферного.
Восстановление окиси магния углеродом происходит и при более низкой температуре, если проводить этот процесс, подобно силикотермическому, в вакууме. Однако из-за ряда технических трудностей этого пока не удалось осуществить.